Oljevernberedskap - Sepaduct

Oil Recovery - Sepaduct

Pernille Marie Hiemeyer & Ole-Jacob G. Birkeli

Institutt for Matematiske Realfag og Teknologi Masteroppgave 30 stp. 2013

Oljevernberedskap-

Sepaduct

Av,

Pernille Marie Hiemeyer & Ole-Jacob G. Birkeli

Masteroppgave ved Universitetet for Miljø- og Biovitenskap

Institutt for Matematiske Realfag og Teknologi

Forord

Denne hovedoppgaven er utformet ved Instituttet for Matematiske Realfag og Teknologi (IMT) ved Universitetet for Miljø- og Biovitenskap (UMB) våren 2013. Hovedoppgaven tilsvarer 30 studiepoeng pr. student ved masterstudiet maskin-, prosess- og produktutvikling.

Oljevernprosjektet ble introdusert til oss allerede våren 2012 og interessen rundt tema har bare vokst siden den tid. Norge er i dag avhengig av virksomheten som oljen bringer og denne avhengigheten ser ikke ut til å minke med tiden. Vi har brukt mye tid på å forstå betydning av evt. oljesøl og konsekvensene ved dette. BP ulykken utenfor Mexicogulfen er et godt eksempel på oljeutvinningens store skader. Motivasjonen til å fortsette Tor Harald Eriksen sitt prosjekt har vært stort og det er virkelig et prosjekt der vi ser store potensialer.

Prosjektoppgaven har vært en lang og god læringsprosess der vi har utfordret og utviklet oss selv og hverandre. Til å være to personer som aldri har jobbet sammen før har samarbeidet vært bra der viktige valg og diskusjoner er blitt tatt sammen. Det å fordype oss i forskjellige områder, for så å lære det videre til hverandre, har gjort at vi har klart å dekke de områdene vi har følt vært nødvendig for dette prosjektet. Både datasimulering og hydrodynamikk var ukjente fagretninger som vi nå behersker. Oljevern er også et område som har gjennom oppgaven fanget vår oppmerksomhet og gitt oss en ny lidenskap. Oljevern er et omfattende og spennende fagfelt som kommer til å være i stor fokus de kommende årene.

Vi vil benytte denne anledning til å takke vår hovedveileder Pål John From for konstruktiv tilbakemelding og det at han gitt oss muligheten til å gjennomføre denne oppgaven slik vi har ønsket. Takk til Jan Kåre Bøe for all hjelp gjennom disse 5 årene her på UMB.

Takk til Bjørn Brenna og hele hans lag på verkstedet. Takk for all hjelp under byggingen av basseng og gode råd underveis. Takk til Bjørn Ronny Frost fra Kystverket og Peder Tyvand for all informasjon og hjelp gjennom hele oppgaven.

Til slutt vil vi veldig gjerne takk kjærester, venner og familie som alltid stiller opp.

Ås, 10. mai 2013

__________________ _________________

Pernille Marie Hiemeyer Ole-Jacob Gjerald Birkeli

Sammendrag

Ideen bak Sepaduct, var en del av et oljevernskonsept fra 2011. Konseptet, kalt OilSweeper har muligheten til å samle, skille og lagre oljen i en og samme prosess. Sepaduct en sluse som samler og separerer olje på vannoverflaten. Den ble designet i et forprosjekt høsten 2012.

Ved hjelp av lenser vil slusemodulen forflytte oljen ned i vannet. Enheten får da utnyttet forskjellen mellom de fysiske egenskapene til vann og olje. Oljen vil da fortrenge opp i en oppsamler der den blir lagret. Uten mekanisk hjelp har dette produktet en fordel i oljeberedskapen, spesielt i kalde strøk. Prosjektoppgaven skal effektivisere og optimalisere slusen der krav og visjoner er ivaretatt fra tidligere arbeid. Slusens stabilitet og oljens oppførsel gjennom hele prosessen har vært hovedfokus i prosjektet.

Teoretisk kunnskap, håndberegninger og datasimulering i SolidWorks skal bidra til å forstå og danne retningslinjer for praktisk testing. Basert på disse verktøyene sammen med eksisterende løsninger skal konstruksjon av prototype skape realistiske resultater. Beregningsmodeller og fagterminologi er hentet fra litteraturstudier. Prototypen er testet i basseng og sjø, der ulike problemstillinger er satt på prøve, og kontinuerlig forbedret. Bølger, strømninger, sjøvann og kalde temperaturer gjorde testingen mer kompleks, men mer realistisk. Resultater er brukt til sammenligning opp mot fullskalamodellen.

Slusen er avhengig av en bestemt posisjon for å få oljen i ønsket tilstand ved utgangen.

Bassenget redegjorde for nødvendig tyngde ved ulike hastigheter slik at produktet holdt den ideelle posisjonen. Løsningen har derimot forskjøvet vektproblemet til resten av slusen. Det er funnet en teoretisk verdi, men må utprøves for å bekreftes. Oljen trenger også en viss hastighet for å gå under og gjennom slusen, ca. 2 knop i vårt tilfelle. Når slusen blir dradd bortover etterlater den seg et tomrom. Dette tomrommet gjør at ved utgangen blir oljen dratt opp på baksiden av slusen. Dette kan utnyttes til å føre oljen opp i oppsamleren. Oppsamleren må derfor designes slik at ikke den ødelegger dette tomrommet. Prosjektet har kommet til et punkt der koblingspunkt til både oppsamler og lense bør videreutvikles samt oppsamlerens design, for å bekrefte prosjektets oppdagelser og løsninger. Produksjonsgrunnlag for produktet vil ikke følge med. Hovedprinsippene til slusen viser at alt ligger til rette for å nå et godt oljeverns produkt.

Abstract

The idea behind Sepaduct was an outcome of a project started in 2011. The product is a part of a concept called OilSweeper, which has the ability to collect, separate and store oil all in one process. Sepaduct is the duct that collects and separates oil that lies on top of the water. The design was developed in a pre-project Fall 2012.

Sepaduct is a duct that collects and separates oil that lies on top of the water. With the help of oil lenses, the oil will move down the duct. The purpose of this is to take advantage of the physical differences between oil and water. The oil will be lodged up into a storage unit and stored. The fact that this product does not need mechanical aid makes it a one of the kind oil recovery product, especially in cold areas. This project shall make the duct more efficient according to the visions and demands prior stated to OilSweeper. The stability and the oil’s performance through the duct will be the research priority.

Theoretical knowledge, calculations and computer simulations through SolidWorks will all contribute to gain understanding and guidelines for practical experimentation. A combination of these tools and the knowledge of existing solution made it possible to gain realistic results through the construction of a prototype. All sciences and terminology is collected from published literature. The prototype has been tested in a pool as well as at sea, where different theses were put to the test as well as improvements being made continuously. The presence waves, tides, seawater and cold temperature made the sea-test more complicated than anticipated, but then again more realistic. The results are compared to the full-scale model.

The prototype is highly dependent on a specific position in order to get the oil in a specific state at the end of the duct. The pool test revealed that in order to hold the prototype in the ideal position at all times, different weights at different speeds were needed. This weight also needs to be distributed all through the duct and not at one point. There has be calculated a theoretical weight value, however this needs to be thoroughly tested. The oil needs a certain speed in order to be pushed down and through the duct. In our case this speed was around 2knots. When the duct was pull across the water an empty space appeared behind the duct wall. This empty space forced the oil to rise at the end of the duct. This should be exploited when designing the storage unit and how to raise the oil up into the unit. The project has come to such point where it is necessary to develop the storing unit along with the lenses in order to prove the ducts efficiency.

Production layouts will not be a part of this project. The principals behind the duct have shown the possible production of a great oil recovery product.

Innholdsfortegnelse

Forord ... II Sammendrag ...III Abstract ... IV

1. INNLEDNING ...7

1.1. Bakgrunn ... 7

1.2. Idébeskrivelse ... 8

1.3. Problemstillinger ... 9

1.4. Målsetninger ... 10

1.4.1. Hovedmål ... 10

1.4.2. Delmål ... 10

1.5. Begrensinger og antagelser ... 10

1.6. Arbeidsplan/planlegging ... 11

1.7. Metodebeskrivelse ... 12

1.7.1. Metodebruk og løsningsverktøy ... 12

1.7.2. Terminologi ... 14

1.7.3. Symboler ... 15

2. OLJEVERN ... 17

2.1. Historie ... 17

2.2. Beredskapsnivåer ... 18

2.2.1. Statlig beredskap ... 18

2.2.2. Kommunal beredskap ... 18

2.2.3. Privat beredskap ... 18

2.2.4. Barriereprinsippet ... 19

2.3. Eksisterende løsninger ... 19

2.3.1. Mekanisk berging ... 20

2.3.2. Ikke mekanisk berging ... 23

2.3.3. Patenter ... 24

2.4. Bruksområder i oljevern ... 24

3. TEORI OG UTREDNING ... 26

3.1. Mekanismer rundt oljevern ... 26

3.1.1. Væsketyper ... 26

3.1.2. Olje sin oppførsel i vann ... 29

3.1.3. Bølger og strømningsforhold... 32

3.2. Væskens egenskaper ... 33

3.3. Teoretisk grunnlag ... 39

3.3.1. Avgrensninger ... 40

3.3.2. Kontinuitetsprinsippet ... 42

3.3.3. Termodynamikk ... 44

3.3.4. Kraftloven ... 46

3.3.1. Stokes Lov ... 47

4. PRODUKTARKITEKTUR ... 48

4.1. Design ... 48

4.1.1. Enkelte deler ... 49

4.1.2. Sammenstilling ... 51

4.1.3. Rendering ... 53

4.2. Materialvalg ... 54

5. PRODUKTSPESIFIKASJON ... 55

5.1. Kundebehov ... 55

5.2. Produktegenskaper ... 56

5.3. Metriske grensespesifikasjoner... 57

5.4. Metriske grovspesifiseringer for produkttypen ... 58

6. TEORETISK ANALYSE ... 59

6.1. Teoretiske beregning ... 59

6.1.1. Kontinuitetsprinsippet ... 59

6.1.2. Trykktapet ved separerte væsker, vha. Bernoullis Ligning ... 61

6.1.3. Kjemisk Energi implementert i Bernoullis ligning ... 70

6.1.4. Stigehastigheten vha. Stokes Lov ... 71

6.1.5. Kraftloven ... 72

6.1.6. Prototype-beregninger ... 75

6.2. Datasimuleringer ... 78

7. PRODUKSJON... 82

7.1. Prototype... 82

7.2. Basseng ... 86

8. RESULTAT ... 92

8.1. Basseng test ... 92

8.1.1. Før-test av sluse ... 92

8.1.2. Test med vannpumpe ... 94

8.1.3. Test med påhengsmotor, bensin ... 96

8.1.4. Test med påhengsmotor, Elektrisk ... 97

8.1.5. Test, dra-kraft ... 100

8.1.6. Etter Test ... 106

8.2. Sjø-test ... 108

9. DISKUSJON ... 114

9.1. Teori ... 114

9.2. Praktiske resultater ... 116

9.3. Diskusjon opp mot Tor Haralds Oilsweeper ... 121

10. KONKLUSJON ... 123

10.1. Forbedringer ... 124

10.2. Utfordringer og videre arbeid ... 126

11. REFERANSER ... 127

11.1. Skriftlige kilder ... 127

11.2. Muntlige kilder ... 127

11.3. Nettkilder ... 128

12. VEDLEGG ... 132

1. INNLEDNING

1.1. Bakgrunn

Det norske olje eventyret startet allerede med Ekofisk prosjektet i 1979. Siden den tid har oljeproduksjonen bare vokst og skapt verdier for mer enn 8000 milliarder kroner.

(Energidepartementet 2011) Ettersom forbruket på fossilt brennstoff ikke ser ut til å minke, blir utforskning etter olje i nordlige strøk enda mer ettertraktet. Med dette vil det være høyere sannsynlighet for at et eventuelt oljeutslipp kan forekomme i sårbare strøk.

I 2010 ble det fremlagt 21 grunnlagsrapporter av Meteorologisk Institutt på veiene av Bellona, som viser at et evt. oljesøl (som ved Mexicogolfen i 2010 (Deepwater Horizon)) i Lofoten, Vesterålen og Senja vil ha større konsekvenser enn Oljedirektoratet først antok (Sæter 2010). Her viste det seg at mer olje vil nå land og på kortere tid. Slike opplysninger og tester viser bare hvor viktig det er med riktig oljevernstiltak.

Et oljesøl trenger ikke å ha store synlige konsekvenser, men konsekvensene for fauna og økosystemene rundt er store. Små mengder med olje kan ødelegge store områder for de eksiterende organismene som oppholder seg der. I Nordsjøen og Barentshavet er omgivelsene helt forskjellige fra det som eksisterer i for eksempel Mexicogolfen og Atlanterhavet. Lave temperaturer, aggressiv sjø, forskjellige oljetyper er bare noe av det som gjør at kravene til oljevernsredskaper mellom nordlig og sørlige områder blir annenledes.

Innenfor oljevernberedskap er det flere forskjellige produkter som sammen utfører arbeidet med å samle opp oljen etter et akutt oljesøl. Slike oljesøl kan være ukontrollerte og ulovlige, fra offshore installasjoner eller skip. Noen oljesøl kan også komme fra onshore virksomhet.

Når et utslipp inntrer er det viktig at beredskapen er fleksibel, rask og brukervennlig. Den må være rask slik at olje ikke sprer seg utover flere barrierer, og utstyret må tillate at oljen blir raskt samlet opp slik at den ikke blander seg for mye med sjøvannet eller fordamper ut i atmosfæren. Det er vist fra erfaring, at det i unntakstilfeller kun har vært mulig å samle 10-15 prosent av oljeutslippene ved kilden i sjøen (Ly 2011:a). Dette viser da igjen hvor viktig det er med riktig beredskap.

På grunn av at oljen vil spre seg utover store arealer, fordampe og evt. blande seg med sjøvannet er oljevernkonsepter avhengig av at løsninger ligger nært slik at man kan respondere raskt. Det må derfor utvikles ressurser som har muligheten til å samle, skille og

1.2. Idébeskrivelse

Prinsippet bak Sepaduct er basert på de fysiske egenskapene til vann og olje. Produktet skal kunne skille oljen fra vannet gjennom en enkel sluse.

Oljevernprosjektet til Tor Harald Eriksen startet allerede i 2011. Prosjektet hans var basert på et tre delt produkt; lense, oppsamler og sluse.

Figur 1: OilSweeper. Der 1) Olje, 2) Vann, 3) Oppsamler, 4) Sluse og 5) Lense (Eriksen 2012)

Fra de testene han gjorde kom det frem at hovedelementet i idéen hans var slusen. Det var denne som var dimensjonerende og den som påvirket resultatene. Høsten 2012 ble TIP300 prosjektet Sepaduct startet, som er et videre arbeid på OilSweeper. Prosjektet tar for seg slusen og ser kort på de fysiske og designmessige parameterne.

Figur 2: Slusen vist fra siden. Der 1) Olje, 2) Vann som entrer slusen ved overflaten, 3) Vann som ligger under overflaten 4) sluse

Når væsken entrer slusen blir all væsken forflyttet seg nedover ryggen til slusen. Ettersom oljen allerede ligger på overflaten av vannet, vil olje være i kontakt med ryggen på slusen.

1

1.3. Problemstillinger

Konsept

Konseptet Oilsweeper skal forbedres ved hjelp av effektivisering og optimalisering av slusen.

Vi vil ivareta kravene og visjonene som ble stilt til OilSweeper. Slike visjoner innebærer å operere under vanskelige forhold uten spesialutstyr, samtidig som forventning til effektivitet, fleksibilitet og operasjonell brukervennlighet er ivaretatt (Eriksen 2012).

Teori

Tilegne teoretiske analyser som kan hjelp med å danne forståelse og rettingslinjer rundt praktiske testing. Dette innebærer bruk av teoretisk kunnskap og datasimuleringer.

Design og konstruksjon

Konstruerer en sluse som kan fører væsken i ønsket strømningsbande samtidig som den alltid ligger i ideell posisjon uansett forhold. Det må kartlegges mulig mannskap, driftsområde og utstyr som skal brukes opp mot produktet. Materialvalget må fokusers slik at produktet tåler de påkjenningene den blir utsatt for.

Prototype

Konstruere en prototype som kan skape realistiske sammenlignbare resultater opp mot fullskala modell.

Test

Finne testlokasjon som kan utfordre prototypen opp mot realistiske forhold.

1.4. Målsetninger 1.4.1. Hovedmål

1.4.2. Delmål

 Kartlegge eksisterende og konkurrerende løsninger

 Få forståelse for grunnleggende teoretiske begreper innen hydrodynamikken

 Utarbeid mulige løsninger basert på fysiske prinsipper

 Bygge prototype

 Finne testlokasjon og utføre test av prototype

 Utføre 3D-tegninger med basis i erfaringer fra prototypetest

1.5. Begrensinger og antagelser

Følgende begrensninger vil gjelde for denne prosjektoppgaven:

 Oppgavens arbeidsområde vil kun gjelde slusen

 Styrkeberegninger på lensene som er mellom fartøyet og slusen

 Analyse av oppsamler og lense

 Design og styrkeberegninger av koblingspunktet mellom oppsamler og kroppens bakre del (utløpet)

 Oppgaven vil gjelde for oljeberedskap i barriere 1, 2 og 3 (se Tabell 5)

 Materialbeskrivelse vil ikke være et fokusområde

 Ser kun på olje som ligger på overflaten

 Søppel og andre store gjenstander som vil forstyrre prosessen

 Konsekvens analyse i henhold til HMS krav

Utvikle, designe og produsere en prototype som vil effektivisere Tor Harald Eriksen sin Oljesweeper. Prototypen skal kunne testes ved ulike forhold. Oppgaven skal holde fokus på funksjonalitet og effektivitet. Hovedfokuset vil være på selve testing av prototype opp mot teoretiske beregninger.

Vi antar følgende:

 Skjørtet på lensen ligger helt opp mot innløpet

 Fullskala modell og prototype har samme beregningsgrunnlag. Størrelsen er den eneste variable parameteren.

 Startfarten på væsken ved innløpet er lik farten på fartøyet

 Antar at slusen er en lukket kanal og bruker teorier og fysikken basert rundt dette

 Væsken og omgivelsene er antatt til å være ideelle i de teoretiske beregningene

1.6. Arbeidsplan/planlegging

Tabell 1: Arbeidsplanen for oppgaven

Prosjektoppgave Uke nr.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Oppstart

Bakgrunnsinformasjons og teori

Datasimuleringer og teoretisk beregning

Godkjenning av rammeverk for prototype

Bestilling av materialer og produksjon av prototype

Test

Evaluering av test

Klargjøre oppgavetekst og struktur

Drøfting av konklusjon og erfaringer

Gjennomgang, korrektur og endringer av oppgave

Levering til print

Levering til sensur

1.7. Metodebeskrivelse

1.7.1. Metodebruk og løsningsverktøy

For å kunne ferdigstille dette prosjektet er det flere løsningsverktøy vi har måtte anvende for å nå de ønskede resultatene.

1.7.1.1. Integrated Product Development (IPD)

IPD er en produktutviklingsmetodikk som er bygget opp på bakgrunn av "store og små sivile og militære utviklingsprosjekter" (Bøe 2012) i USA. Det integrerer bruken av moderne teknologi med bruken av arbeidsplanlegging, organiseringer og andre ulike trinn i utviklingsprosessen. IPD har 11 hovedelementer som skal sammen "oppnå større effektivitet, lavere gjennomføringstid og bedre læringseffektivitet i industrielle produktutviklingsprosjekter" (Bøe 2012). Disse elementene innebærer:

a) Kartlegging av kundenes og markedets behov og krav b) Planlegging og styring av produktutviklingsprosessen c) Bruke grupper og teamarbeid

d) Integrert prosessdesign

e) Styring av kostnadene fra starten av

f) Involvere leverandører og underleverandører ved et tidlig stadiet i prosessen g) Robust design utvikling

h) Integrering av CAD, CAE og CAM verktøy i prosessutviklingen i) Datasimulering av egenskapene til produktet samt fremstilling j) Generering av en mest mulig tilnærming til utviklingsarbeidet k) Kontinuerlig forbedring av prosessen

Hensikten med IPD er å sørge for at ting blir gjort i riktig rekkefølge og at ikke sentrale ting blir glemt. Hovedmålet er å minimere både teknologisk og økonomisk risiko ved prosjektet.

Det er derfor hensiktsmessig å dele prosjektet i to faser.

Fase 1: forprosjektet; her skal man kartlegge om det er potensial i et prosjekt.

Fase 2: hovedprosjektet; går ut på at man utvikler produktet parallelt med at man driver med markedsstrategi og produksjon. Her er det viktig at det tas ansvar og at det utnevnes nøkkelpersoner til prosjektet.

1.7.1.2. SolidWorks

SolidWorks er det Computer-Aided Design (CAD) program som omfatter forskjellige ting som design, konstruksjon, analyse og beregninger. Vi kan ved hjelp av CAD-programmet

"generere virtuelle modell[er] av den aktuelle delen" (Bøe 2010)for så å analysere former og konverter 3D-modellen slik at vi kan analysere produktet lag for lag.

1.7.1.3. FlowSimulation

FlowSimulation er et tilleggsutstyr til SolidWorks. Programmet går ut på å analysere ulike komplekse situasjoner som ikke er mulig å gjøre for hånd. Programmet simulerer strømninger, varmetransport og fluidkrefter raskt og enkelt (SolidWorks 2013). Programmet kjører virkelige scenarier og gir deg resultater der etter.

1.7.1.4. Pugh´s Metode

Pugh´s metode er et verktøy for valg av konsept ved hjelpe av vekting mellom forskjellige konsept ideer. Den brukes for å få et så objektivt resultat så mulig ved valg av konsept. Man setter opp en seleksjonsmatrise der man definere bestemte evalueringskriterier opp mot forskjellige design alternativer. Dette er ofte brukt blant ingeniører, men også av investorer, leverandører og andre yrker.

Når man anvender Pugh´s metode for å løse et problem, må man først utarbeide flere løsninger til samme problem. Man velger seg så noen kriterier som man føler at løsningen må ta hensyn til. Disse kriteriene blir så vektet i forhold til hvor viktig de er på en skala fra for eksempel 1-5. Når man har dette plassert for seg i en matrise så bygger man videre og vurdere alternativene.

Alternativene blir da vektet hver for seg basert på hvordan de tilfredsstiller kriteriet. Man summerer så verdiene og legger til vektingen. Alternativet med høyes poengsum er så det riktige valget basert på et objektivt og matematisk standpunkt.

1.7.2. Terminologi

Tabell 2: Terminologiliste

Term Forklaring

Ballast Loddet som henger på skjørtet slik at den holdes stabilt Bend Overgangsbøyningen i slusen

Depoter Lagringsposter på land av oljevernberedskap

Dra-kraft Kraften som blir påsatt slusen ved hjelp av å dra den bortover vannet Dykke Oljen som går under vannet

Dykkehastighet Hastigheten det tok for oljen til å gå under vann Emulsjonen Dråper i en væske

Etterarbeid Rengjøring og rensing av olje Fartøy Transportmiddel til vanns

Fordampningsprosessen Væske som fordamper av høy temperatur i omgivelsene Fribord Høyden av delen til lensen som ligger over vannoverflaten Førere Utstikkerne på innløpet – veggen

Grenseflatespenning Spenningen mellom to ikke blandbare væsker Hydraulisk radius Væskens virkningsradius

Hydrokarboner Organisk-kjemiske forbindelser som bare inneholder karbon og hydrogen - hydrokarbon kilde

Fraksjoner Hydrokarboner med samme kokepunkt

Knop Betegnelse på et fartøys hastighet. En knop er det samme 1852m per time Lukket kanal Rektangulært rør

Nordadrag-strømmen Havstrømning som kommer fra nord

Offshore Petroleumsvirksomhet som foregår langt fra land Onshore Petroleumsvirksomhet som foregår på land

Oppdrift Kan forklares med Arkimedes lov: hvis et materiale har lavere egenvekt enn væsken den blir plassert i så vil materialet flyte. I vårt tilfelle så er dette materialet olje. Ettersom egenvekten til oljen er lavere en vann så vil oljen ligge å flyte på toppen av hav overflaten.

Oppdriftskraft Ved oppdrift så er oppdriftskraften lik vekten som materialet presser bort.

Ettersom at oljen har lavest egenvekt så vil oppdriftskraften være ca. 15%

større enn kraften til vannet. Dette er grunn til at olje vil presse seg opp i taket til slusen

Overflatestrøm Strømmen som eksiterer på vannoverflaten

Skjørt Delen av lensen som ligger under vannet, som stopper og fører oljen Stasjonærfart Konstant fart uansett punkt i væsken

Strømrør Væskens strømningsvei gjennom slusen

Stuking Tetting av rør pga. turbulens og alt for mye væske som føres gjennom et rør

Tidevannstrømmen Når det er forandringer mellom flo og fjære oppstår det tidevannsstrømmning som kan være av forskjellig styrke

Turbulens Turbulens oppstår der det eksisterer strømninger med ”forholdsvis høy hastighet, store friksjonskrefter og lav viskositet. Dvs. at det skjer ved høy Reynoldstall

Væskeblanding Blandingen av olje og sjøvann

1.7.3. Symboler

Tabell 3: Symboliste

Symbol Navn Enhet Kommentar

l Lengde m

b Bredde m

bg Gjennomsnittbredde m Bredde inngang dividert på bredde utgang

h Høyde m

t Tykkelse m

r Radius m

rh Hydraulisk radius m

Strømrørets tverrsnitt dividert på strømrørets våte omkrets

d Diameter m

dh Hydrauliske diameter m D Krumningens diameter m

Karakteristiske lengden m Strømrørets virkningsgrad

y Avstand m Avstand fra sentrum og ut

̅ Deformasjonsrate

A Areal m2

O Omkrets m

V Volum m3 1m3 = 1 L (liter)

α Vinkel grader

F Kraftvektor N Bestemt i x-,y- og z-retning

Oppdriftskraft N Gitt i z-retning

ρ Tetthet kg/ m3 10-3 kg/l

°API Tetthetstall olje grader I forhold til vann σ Grenseflatespenning N/ m2

τ Skjærspenning N/ m2

p Trykk N/ m2

v Hastighet m/s Bestemt i x- og y-retning

Hastighet m/s Gjennomsnittlig fart

Hastighet m/s Fart inn

Hastighet m/s Fart ut

Hastighet m/s Maks hastighet

Stigehastighet m/s

Indeks inngang -

Indeks for utgang -

Indeks olje -

Indeks sjøvann -

μ Viskositet cP Kan konverteres til 10-6Ns/ m3

ν Kinematisk viskositet cSt Kan konverteres til 10-6 m2/s

Re Reynolds tall -

Kritisk Reynolds tall -

Kritisk strømningstall fra laminær- til turbulent strømning

Tabell 4: Fortsettelse av symboliste

Symbol Navn Enhet Kommentar

ζ Tapsfaktor -

Q Volumstrøm m³/s

E Energi J

Δρ Energitap N/ m²

H Entalpi J

U Indre Energi J

S Entropi J

T Temperatur K

q Varme J Varme påført et system

G Gibbs frie energi J

K Kjemisk energi J

π Pi - Fast verdi 3,14

g tyngdeakselerasjon m/ s² Fast verdi 9,81

m Masse kg

Knop Hastighetsverdi fartøy - tilsvarer 0,51 m/s fot Lengdeverdi fartøy - tilsvarer 0,31 meter mg Gravitasjonskraft

2. OLJEVERN

2.1. Historie

Allerede i 1954 ble det avholdt en internasjonal konferanse i London, England med tema:

Oljevern. Dette var en konvensjon mot oljeutslipp til sjøs som senere ble omarbeidet i 1962 og igjen i 1969 (Tuntland 1978). I Norge derimot ble det ikke satt stor fokus på oljevern før etter ulykken på Bravo plattformen ved Ekofiskfeltet 1977 (Knudsen 2012). Det viste seg at selv om myndighetene hadde vedtatt en lov om vern mot oljeskader (Gurandsrud 2011) så var ikke nivået bra nok. I 1974 ble Statens forurensingstilsyn opprett med den intuisjon at det skulle ha overordnet kontroll over oljevernberedskapen. Allerede året etter ble det bestemt at det skulle omorganiseres slik at beredskapen skulle bygges i tre beredskapsnivåer; privat, kommunal og nasjonal (Gurandsrud 2011). Denne ordningen ble dannet slik at Norge ville ha til en hver tid tilgjengelig beredskapsressurser samt at ansvarsområder klart definert.

Figur 3: Sammenkobling mellom de tre nivåene: privat, kommunal og nasjonal beredskapsaktører (Knudsen 2012)

2.2. Beredskapsnivåer

2.2.1. Statlig beredskap

Hovedfokuset til de statlige aktørene er beredskap rundt skipsvrak. De har 16 depoter langs norskekysten og på Svalbard, der det er tilgang på lette og tunge lenser samt oljeopptakere.

Kystverket (NCA: Norwegian Coastal Administration) er det statlige organet som har ansvar for oljeberedskapen. Kystverkets hovedkontor for oljeberedskap ligger i Horten. Det er de som bestemmer hvordan depotene blir plassert utover og hvordan lageret fordeles. I de neste to årene vil beredskapsressursene økes på alle depoter (Frost 2013). Dersom de private og kommunale aktørene ikke har tilstrekkelig med beredskap, skal Kystverket overta aksjonen i samarbeide med de andre aktørene. De har tilgang til 11 kystvaktfartøy og 4 oljevernfartøy og ved et akutt søl, så er det også muligheter for å ta i bruk både sivile og militære fartøy.

2.2.2. Kommunal beredskap

Kommunene har, ved mindre tilfeller av forurensing, beredskap- og aksjonsplikt innenfor sine kommunegrenser. Slike tilfeller kan være olje utslipp i en havn. Gjennom det Interkommunale Utvalg mot Akutt forurensing (IUA), samarbeider kommunene om beredskapen gjennom de 33 interkommunale beredskapsregionene (Ly 2011:b). Tilgjengelig materialet ved opprydning, er i form av lette lenser og oljeopptakere. Om beredskapsplanene til kommunene er gode nok avgjøres av tilsynsmyndighetene Klima og Forurensningsdirektoratet (KLIF). Her ligger beredskapsansvaret hos brannvesenet og havnevesenet.

2.2.3. Privat beredskap

Det er omkring 70 landbaserte industribedrifter som må følge beredskapskrav som er stilt av KLIF. Dette er fordelt på raffinerier, tankanlegg og andre operatører innen oljevirksomhet.

Alle operatørselskaper på norsk sokkel er medlemmer av Norsk Oljevernforening for Operatørselskap (NOFO). NOFO ble dannet i 1977 etter Bravoulykken for å etablere og ivareta oljeberedskapen på norsk sokkel (Knudsen 2012). Det er disse som stiller med personell og teknisk materialer til operatørselskapene dersom akutt forurensing skal forekomme.

2.2.4. Barriereprinsippet

Når man skal forklare områder hvor de forskjellige beredskapsnivåene har bekjempelsesansvar holder man fokus på de fire barrierene.

Tabell 5: Barriereprinsippene Barriere Områder

1 Åpent farvann nær kilden 2 Åpent farvann mot kystsonen 3 Kyst og fjordsone

4 Land og strand

NOFO har store systemer som har mulighet til å arbeide i barriere 1 og 2. Kommunale og IUA har hovedfokus på barriere 3 og 4.

Ulike beredskapsløsninger kan brukes ved de forskjellige barrierene. Mekanisk berging brukes gjerne i alle barrierer, mens manuell berging er mer brukt i barriere 4.

2.3. Eksisterende løsninger

Prinsippet bak Sepaduct er ikke originalt. Det er flere aktører som arbeider med å separere olje og vann ved bruk av væskenes egenskaper. Siemens har utarbeidet et produkt med navnet API Oil Water Sepators (API Oil Water Separators 2011). Disse er stasjonære produkter som er landbaserte.

Når vi snakker om oljevernsredskaper som blir brukt direkte til akutte søl så kan det dele det inn i tre kategorier: mekanisk, ikke mekanisk og manuell berging. Med mekanisk berging mener man fysiske barrierer som blir dannet rundt oljen. Ikke mekanisk berging er av typen brenning og bruk av dispergeringsmidler. Manuell berging brukes langs strand og kyst der man må bruke hånd-apparater om olje treffer.

2.3.1. Mekanisk berging

2.3.1.1. Lenser

Det er to hovedkategorier innen oljevernslenser; konvensjonelle og aktive. En oljelense brukes for å redusere konsekvensene av oljesøl på vann eller sjø ved å samle, konsentrere, lede, ringe inn, stoppe eller absorbere olje som flyter på overflaten (Nilsen 2012). Tradisjonelt så er lenser operert med 2 fartøy som drar lensen på havoverflaten.

Figur 4: Konvensjonell Lense

En typisk konvensjonell lense, for eksempel Norlense sin NO-1200-R (Figur 4), har et fribord på 1,2m og et skjørt på 1,5m (Norlense 2009). De har også en ballast som er koblet til skjørtet slik at skjørtet holdes så stabilt som overhode mulig i vannet. Den totale lengden på en slik lense er virkårlig. Konvensjonelle lenser kan lett kobles sammen. Ettersom en slik lense er relativt stiv og robust blir operasjonen avhengig av at det er rolige sjøtilstander samt at dra- hastigheten fra fartøyene er lav. Hastighetene vil ligge på gjennomsnitt 0,5 knop. Ifølge Kystverket så vil en hastigheten høyere en 0,8 knop forårsake at oljen går under skjørtet på lensen (Frost 2013). Pr. nå har konvensjonelle lenser vært primærverktøyet i enhver oljevernaksjon (Nilsen 2012).

Noen konvensjonelle lenser går også under kategorien Sorbente lenser. Disse lensene vil ikke ha et skjørt som er koblet til fribordet, men fribordet vil innehold et materiale som absorbere oljen og kun oljen fra overflaten.

Figur 5: venstre) viser innmaten på en sorbent lense brukt av kystverket. Høyre) En sorbent-lense som ligger i olje (Corp 2008).

En aktivlense, også kalt høyhastighetslense, kjennetegnes ved at den er konstruert for å samle og konsentrere opp oljesøl i kraftigere strøm enn en konvensjonell lense.(Nilsen 2012) Der en konvensjonell lense ser hindringer, som for eksempel høye hastigheter, strømninger og bølger, skal en aktivlense kunne operere uten vanskeligheter. NOFI har ved hjelp av sin kompetanse innen oljevern utviklet høyhastighets lensen Current Buster®.

Figur 6: Current Buster i aksjon (NOFI 2012)

Produktet kan ved hjelp av sin unike evne samle og konsentrere olje i strømutsatte farvann og ved høye slepehastigheter (Nilsen 2012). Den ble også brukt under Deepwater Horizon- ulykken i Mexicogolfen i 2010. Aktive lenser kan opereres av en eller to fartøy. De er ikke av ubegrenset lengde slik som en konvensjonell lense. De har derimot mulighet til å samle oljen til et mellom lager der oljen vil i noen utgaver pumpes opp i et tauefartøy. Erfaring viser at disse pumpene blir fort ødelagt ettersom at det eksisterer mer enn bare olje i farvannet slik at de opplever at de samler også opp søppel og andre store gjenstander.

2.3.1.2. Skimmere

Når oljen er samlet ved hjelp av konvensjonelle lenser, er man avhengig av å ha et apparat som pumper oljen opp. De kan sorteres i forskjellige kategorier; overløpsskimmere, Hi-Wax skimmere og Foxtail. De har alle i oppgave å pumpe opp oljen som ligger på havoverflaten.

En overløpsskimmer flyter på væsken og suger til seg væsken slik at den blir samlet i en annen tank der det blir skilt. En Hi-Wax skimmer har en trommel som graver til seg oljen og Foxtail er et mopaktig skimmer system. Det er flere faktorer som kan redusere ytelsesgraden på skimmeren. Dette kan skje om olje stivner og blir voksaktig eller om viskositeten til oljen øker og det blir for tykke emulsjoner. Alle skimmere er avhengig av spesialbåter som har kunnskapen rundt bruken av produktet og tilgangen til spesialutstyr. Det er viktig at fartøyene er store nok da det ikke bare blir pumpet opp olje, men også store mengder vann.

Figur 7: venstre) overløpsskimmer (Lamor 2013), midt) Hi-Wax skimmer (Knudsen 2009), høyre) Foxtail skimmer (Eureka 2013)

2.3.1.3. Andre løsninger

De siste årene har oppmerksomheten rundt oljevernberedskap økt. Det er blitt arrangert flere konkurranser der interessante konsepter har fått sett dagens lys. Ett av disse er OilShaver produsert av Akrehamn & Tralboteri AS og HUSEN AS (OilShaver 2010). Den er formet som en lense som står 45^o ut fra en følgefartøy. Lensen ligger på vannoverflaten og barberer oljen av vannet. Dette blir så samlet og pumpet opp inn i følgefartøyet.

Figur 8: Oljevern prosjektet Oilshaver ved testing i USA (OilShaver 2010)

2.3.2. Ikke mekanisk berging

2.3.2.1. Dispergering

Dispergeringsmiddel er kjemikalier som akselererer den naturlige dispergeringseffekten til oljen. Det sprøytes på oljeflak fra enten fartøy eller luftfartøy; fly og helikopter. Etter påføringen av midlet vil bølgeenergien føre til at oljeflakene brytes opp i små oljedråper som raskt fortynnes og deretter brytes ned av mikroorganismer som forekommer naturlig i havet (Harald Tvedt 2012). Når man skal bruke dispergering som en beredskapsmetode er det viktig at begrunnelse for valget er gått nøye gjennom da det kan ha store miljøkonsekvenser og at oljen må være dispergerbar. Dette blir mye brukt i nordlige strøk og er grunnen til at Kystverket bruker mye ressurser på utvikling av akkurat denne type berging.

2.3.2.2. Brenning

Brenning er et alternativ som ikke er ukjent for mange. Det brukes der oljen flyter på overflaten eller i nordlige strøk midt i blant ødelagt is. Det er viktig at brenningen er kontrollert, så ved bruk av brenning er det viktig at oljen er sperret av ved bruk av lenser.

Dette er også gunstig slik at man får en riktig tykkelse på oljen før man brenner det. Ettersom oljen fordamper er det gunstig å begynne brenningen så fort så mulig, da det er det tennbare middelet som fordamper først. Vanninnholdet i oljen er også en faktor som avgjør om oljen er brennbar. Ved mye vann blir olje vanskelig å få tent.

2.3.3. Patenter

Oppmerksomheten rundt oljeberedskap har økt de siste årene etter at det ble aktuelt med oljeboring i Lofoten, Vesterålen og Senja. Dette har ført til at flere aktører har begynt å forsøke på nye beredskapsmetoder. Antall patenter innen oljevern har økt og flere med gode utfall, slik som Karl-Atle Stenevik´s ´Sweeper for Collecting Impurities at Sea´(Stenevik 2011). Stenevik´s Sweeper er en god blanding av en aktiv lense og Tor Harald Eriksen sin OilSweeper. Den har muligheten til å bli dratt med en hastighet på 4-5knop og har en oppsamlingsenhet bakerst. Forskjellen på OilSweeper og Sweeper ligger hovedsakelig i slusens utforming og at Sweeper trenger å være koblet til en pumpe under hele operasjonen.

2.4. Bruksområder i oljevern

Konvensjonelle lenser er i dag primærberedskap når et akutt oljesøl fremkommer. Disse kan bli så lange som overhode nødvendig og er enkle å bruke. Problemet med disse lensene og mange andre beredskapsprodukter, er at de er veldig avhengig av omgivelsene sine.

Omgivelsene i nord og sør er ikke bare forskjellig geografisk, men også forskjellige i temperaturer, strømninger, bølger og oljetyper. Tabell 6 under viser hvordan forholdene i nord vil påvirke den beredskapen som allerede eksistere på dagens marked. Disse konsekvensene følger i sørligere strøk som i Mexicogolfen.

Tabell 6: Forholdet mellom nordlige naturforhold og effekten det har på oljevernberedskap Forhold Mekanisk Berging Ikke Mekanisk Berging

Kalde

temperaturer

 Konvensjonelle lenser blir stive

 Skimmerne fryser

 Pumper fryser

 Viskositeten i olje øker

 Propanen fordamper sakte som gjør at man forlenger antenningstiden

 Olje brenner saktere

 Maskiner for å fordele dispergeringsmidler fryser Sterk vind  Konvensjonelle lenser

klarer ikke å ligge stabilt

 Umulig å sprøyte dispergeringsmidler

 Vanskeligheter med å få kontrollert brann

Sjø forhold - stor bølger, strømninger

 Lenser og skimmere fungere ikke bra ved høye bølger pga. for mye bevegelse

 Store bølger kan forårsake ukontrollert brenning

 Båter vil ha minimal manøvrering som gjør det vanskelig å sprøyte

dispergeringsmiddel Sikt -

lys/mørketider

 Mekanisk berging kan ikke brukes i mørket

 Ikke mekanisk berging kan ikke brukes i mørket

Som vi ser i Tabell 6 over, kan opprydningen i Nordsjøen og arktiske strøk være vanskelig, og ved ekstreme forhold til og med være umulig. Mer utvinning i nord vil tilsi at man kommer nærmere og nærmere områder der det er mye is til stedet, som igjen gjør opprydningsarbeidet vanskelig. Det er viktig at utvikling av ny teknologi tar hensyn til de problemene som eksiterer i nord, da vi ser i dag at teknologi som fungere i sørlige strøk ikke er tilstrekkelig i nord.

3. TEORI OG UTREDNING

3.1. Mekanismer rundt oljevern

For å kunne angripe teorien bak produktet er vi avhengig av å ha en grundig utredning av væskene og dens egenskaper.

3.1.1. Væsketyper

De typiske oljene man forbinder med oljevern er råolje og tungolje. Råolje er aktuelt ved utslipp direkte fra brønner og offshore installasjoner før vann og naturgasser er fjernet. Ved utslipp fra tankbåter og skip vil tungolje være mest aktuelt.

Egenskapene og oppførselen til oljetypene samt værforholdene den oppfører seg i, er viktige faktorer som er med på å gi hver oljevernaksjon en personlighet.

3.1.1.1. Råolje

Grunnlaget for dannelsen av oljefeltene i Nordsjøen ble lagt for nesten 200 millioner år siden.

Høy temperatur og CO2 konsentrasjon ga mange alger, plankton og planterester som la seg på havbunnen. Når havbunnen sprakk sank dette organiske laget ned og et nytt lag med leire la seg over som et tak. Det organiske laget ble presset ned, og gjennom en lang tidsperiode hvor reservoaret ble utsatt for høyt trykk og temperatur ble olje og gass dannet (viten.no 2003).

Råoljens sammensetning og egenskaper

Før man fjerner vann og naturgasser, er olje betegnet som råolje. Denne råoljen kan kjemisk defineres som en flytende blanding av hydrokarboner, ettersom den består hovedsakelig av hydrokarboner (50-98%). Den resterende parten kan defineres som organiske ikke- hydrokarboner.

Hydrokarbonene består av alt fra enkle flyktige gasser, som Metan (CH4), til store molekyler med mer enn 100 hydrokarboner. Viskositeten til oljen øker ved økning av karbonatomer i olje (Carroll et al. 1999). De organiske ikke-hydrokarbonene har forbindelser som i tillegg til hydrogen- og karbonatomer, kan inneholde nitrogen, svovel, oksygen eller spormetaller som vanadium og nikkel (Kooyman 2010). Mengden av disse forbindelsene varierer stort mellom de ulike reservoarene, som gir råoljen ulike egenskaper som varierer fra reservoar til reservoar (Lundberg 2009).

Denne geografiske variasjonen i de fysikalske-kjemiske egenskaper gjør oljeoppsamling mer kompleks ettersom oljens viskositet og oppførsel er ulik ut ifra hvor en driver oppsamling.

Viskositeten til råolje varierer fra 3 til 2000 cP ved 13 . Til sammenligning har vann viskositet 1 cP ved 20 .

Råoljen i Nordsjøen er en middels lett råolje med hensyn på tetthet. Nordsjøoljen har et høyt voksinnhold noe som gjør den svært seig når den nærmer seg stivnepunktet (Lundberg 2009).

Tabell 7: Råoljens egenskaper rundt om i verden (Lundberg 2009)

Området Enhet

Nord-

Afrika Nordsjøen Midtøsten

Nord- Amerika

Sør- Amerika

Tetthet( kg/l 0,801 0,842 0,869 0,89 1

Svovel Vekt % 0,1 0,3 2,5 1 5,5

Viskositet(38 cP 1,4 4,5 9,6 13,4 19400

Stivnepunkt -51 0 -24 0 15

Voks Vekt % 3 9 6 7 2

Fra Tabell 7, ser vi at tetthet og viskositet varierer en stor del geografisk. Også i Nordsjøen vil en kunne se store forskjeller i verdier fra de ulike feltene.

Tabell 8: Råolje-egenskaper i Nordsjøen (Singsaas et al. 2002)

Området Enhet Njord Norne Troll Oseberget Gjennomsnitt Tetthet(13 kg/l 0,835 0,864 0,893 0,853 0,86

Viskositet(13 cP 51 117 27 11 51,50

Stivnepunkt -9 15 -18 -9 -5,25

Voks Vekt % 6,4 8,4 2 2,8 4,90

Grenseflatespenning mN/m 12 10 13 18 13,25

Denne forskjellen i fysikalsk-kjemisk egenskaper gir også ulik mengde av de forskjellige råoljefraksjonene. Ved å raffinere råoljen får vi destillert ut de ulike oljefraksjonene. Dette hjelper oss med å finne ut hvordan råoljen oppfører seg over tid på overflaten. Er det stor andel lette fraksjoner, gir det oss en indikasjon på at råoljen vil forandres relativt hyppig bare de første 24 timene (Singsaas et al. 2002). Andelen av fraksjonene gir også et bilde på hvor

Figur 9: Oljefraksjoner ved ulike temperaturer (bitjungle 2010)

Figur 9, viser hvilke grader der ulike fraksjonene fordamper. Det lave svovelinnholdet i Nordsjøen gir høyt utbytte av mellomdestillater (200 -350 ) og fyringsolje. For eksempel har Nordsjøen 19,1 % utbytte av dieselolje. Bare Nord-Amerika har mer med sine 19,6 % (Lundberg 2009).

3.1.1.2. Drivstoff i skipsindustrien

Tungolje er som vist på Figur 9 en fraksjonstype i destilleringsprosessen. Den blir benyttet som drivstoff til skip og er en halvraffinert olje. Som drivstoff for alle typer skip bruker man samlebegrepet bunkersolje der vi skiller mellom de lette og tunge bunkersoljene. Lette bunkersoljer er diesel og gassoljer, mens tyngre bunkersoljer er mer rene tungoljer. I oljeopptak-sammenheng er en overgang mellom lettere og tyngre bunkeroljer mest relevant.

De forskjellige produktene blir inndelt i ulike viskositetsgrupper fra A til E. De relevante gruppene som nevnt ovenfor holder til i viskositetsklasse D (viskositet mellom 80 og 180 cSt) og E (viskositet mellom 180 og 379,9 cSt). Det er 21 % av skipstrafikken som bruker viskositetsklasse D og 55 % som bruker E.

Tabell 9: Viser hvordan de utseilte distansene fordeler seg innenfor Kystverkets fem regioner over lettere og tyngre drivstoff. Tallet viser 1000x nautiske mil, og parentesen viser andelen av total skipstrafikk (DNV-Rapport 2013). DNV rapporten er ikke 100 % kvalitetssikret, men er svært troverdig ifølge Bjørn R. Frost ved Kystverket

1000 x nautiske mil Sør-Øst Vest Midt-Norge Nordland Troms og Finnmark Lettere produkter 1 352

(28 %)

6 017 (51 %)

3 756 (56 %)

3 606 (62 %)

3 244 (66 %) Overgang mellom

lettere og tyngre

1 921 (40 %)

3 643 (31 %)

2 107 (32 %)

1 586 (27 %)

1 015 (21 %) Tyngre produkter 1 508

(32 %)

2 035 (17 %)

797 (12 %)

659 (11 %)

667 (14 %)

Total 4 780

(100 %)

11 694 (100 %)

6 659 (100 %)

5 851 (100 %)

4 926 (100 %)

Ut ifra Tabell 9, ser man at det er større andel lettere oljeprodukter i nord enn i sør.

Hovedgrunnen er lov restriksjoner om bruk av tungoljer i arktiske strøk.

Bunkersolje er mye seigere og tyngre enn råoljer, noe som gjør det svært vanskelig for oljevernutstyr å håndtere. I tillegg er de mye verre for miljøet, spesielt ved landsonen

(Oljevern.no 2010).

3.1.1.3. Sjøvann

Egenskapene til sjøvann avhenger av temperatur, saltinnhold og trykk. Standard sjøvann har et saltinnhold på ca. 35 g per liter. Dette er en balansert verdi i åpent hav, men kan variere noe med klima. Tettheten vil avta ved økende temperatur. Ved 4 , 35g/l salt og 1atm. trykk er tettheten på 1028 kg/m³ på sjøvann ifølge ”UNESCO equation of state” (UNESCO 2010).

Saltet i havet er derfor med på å favorisere separasjonsprosessen ved å øke tetthetsforskjellen mellom olje og sjøvann.

3.1.2. Olje sin oppførsel i vann

Gjennom forvitring, spredning og sedimentering av oljen vil oljen få endret mye av sine egenskaper. Hvordan de influeres av de ulike prosessene avhenger av de fysikalsk-kjemiske egenskapene, miljømessige forhold og vannets egenskaper (Carroll et al. 1999). Siden oljen endres over tid vil effekten endres etter hvor raskt man reagerer.

Vinter vs. sommer

Egenskapene til oljen vil endre seg avhengig av om det er vinter eller sommer. Generelt anses vintertemperaturen i sjøvann å være 5 og sommertemperatur til 13 . Fordampningsprosessen vil da naturligvis være hurtigere om sommeren enn vinteren. Denne temperaturforskjellen gir en radikal viskositetsendring. Dette ser vi på Figur 10, der det er store forskjeller innad en oljetype, samtidig som de forskjellige råoljer har markante variasjoner seg i mellom (Resby & Moldestad 2000).

Figur 10: Forholdet mellom temperatur og viskositet (Resby & Moldestad 2000)

Fordampning

Råoljen i Nord-Afrika har lav tetthet, noe som gir en høy mengde av lett olje fraksjoner. Lave oljefraksjoner har som sagt en lett tendens til å fordampe. Oljen vil da tape mye av sin volumandel raskere enn tyngre oljer. For eksempel vil bunkersolje (IF180) fordampe lite de første 3-5 dagene (IEA 2012).

Gjennom fordampningen vil oljen få en høyere tetthet, viskositeten vil øke og voksinnholdet vil bli mer konsentrert. Bare viskositeten kan øke mellom 5-20 cSt det første døgnet. I områder der råoljens tetthet er høy, som i Midtøsten (Tabell 7), vil ikke fordampnings-

hastigheten være like hurtig, og man har bedre tid til å samle opp oljen. Nordsjø-olje er middels-lett og består mest av lette fraksjoner. Siden temperaturene er såpass lave er ikke det like kritisk med fordampnings muligheter som andre steder. Som regel fordamper alle komponenter med et kokepunkt lavere enn 200 innen 12-24 timer, mens komponenter med kokepunkt 200-270 fordamper innen noen dager (Singsaas et al. 2002).

Fordampningshastigheten avhenger av sjø- og lufttemperaturen, solstråling, vindstyrke, bølger og emulsjonsdannelse.

Vann-i-olje emulsjon

Ved kraftige bølger og vindstyrke kan vann-i-olje (V/O) emulsjon oppstå. Vannet trekker da inn i oljen som fører til at fordampningsprosessen vil avta og oljen forblir på havoverflaten over lengre tid. Hvor mye vann oljen tar opp, bestemmes av oljens kjemiske sammensetning, men med riktige forhold kan emulsjonens vanninnhold bli opp til 70 % (Carroll et al. 1999).

Ved et slikt stort vanninnhold vil oljeflaket være 2-3 ganger så stort som det opprinnelige utslippsvolumet. Med en økning i vindstyrke fra 5m/s til 10m/s kan vannopptakshastigheten bli 20 % større. I tillegg øker emulgeringshastigheten med voksinnholdet. Det er derfor stor mulighet for V/O emulsjon i det voksrike Nordsjøen. Viskositeten og elastisiteten øker også med økningen av vanninnholdet (Resby & Moldestad 2000).

Olje-i-vann emulsjon

Hastigheten på olje-i-vann (O/V) dispergering vil på lik linje som V/O -emulgering være avhengig av værforholdene. Kraftige bølger og sterk vind vil påvirke oljens energi og redusere grenseflatespenningen mellom væskene, slik at oljen brytes opp og dispergerer i vannet. Sannsynligheten for at den dispergerte oljen flyter opp på overflaten igjen avhenger av tetthetsforholdet mellom oljedråpen og vannet, dråpestørrelsen og turbulensnivået i sjøen (Carroll et al. 1999). Generelt sier man at ¨0,5 % -2 vol % olje vil dispergere per time ved starten av et søl ved moderate forhold¨ (Singsaas et al. 2002).

Spredning

Egenskapene til oljen og grenseflatespenningen mellom oljen og vannet har stor betydning for spredningen av oljeflakene. Grenseflatespenningen støter vannet fra oljen slik at oljeflaket ikke forstyrres av vannet. Ved høy spenning vil oljeflaket ha gode spredningsegenskaper. Ved

hvert som oljen fordamper. I tillegg vil olje med stivnepunkt 10 til 15 høyere enn sjøtemperaturen ha større vanskeligheter for å spre seg (Singsaas et al. 2002).

Vind og strøm er de viktigste faktorene som påvirker spredningshastigheten. Erfaringsmessig har oljespredningen en 3 % hastighet i forhold til vindhastigheten samtidig som den styrer 30 grader til høyre (med vind i ryggen) (Carroll et al. 1999).

Utformingen på oljeflakene har som regel et 90/10 forhold. 10 % av arealet vil bestå av 90 vol% tykk V/O-emulsjon. Disse flakene har en tykkelse fra 1 til 5 mm. De resterende 10 vol% av oljen har bare en tykkelse på mindre enn 0,001 mm og vil dekke resten av arealet til oljeflaket på 90 % (Singsaas et al. 2002).

3.1.3. Bølger og strømningsforhold

Ved oljeoppsamling på åpent farvann vil vind, bølger, og strømninger skape utfordringer.

Siden oljen ligger som et tynt lag på vannoverflaten vil vinden ha en direkte effekt på oljen ved å skape en overflatestrøm på vannet. Overflatestrøm kan generere en hastighet opptil 3- 5% av vindens hastighet (Fenton 2013). Vinden vil også påvirke kyststrømmen.

Kyststrømmen vil få en større styrke enn overflatestrøm, ettersom den har en større dybde.

Kyststrømmen er en strøm som lever kontinuerlig og blir også påvirket av tidevannet og atlantiske vannmasser (Dahl et al. 2010). Tidevannstømmer kan også by på problemer, spesielt der det er undervannsskjær.

Det er flere lokale strømninger som vil påvirke systemet. Ved ikke-brytende bølger får vi orbitalstrøm, som er en type sirkelstrøm. Denne kan forstyrre væsketransporten av oljen i det den går under vann (fra innløpet til inn i oppsamler). Ved brytende bølger vil man få en kraftig lokal strøm som vil forstyrre oljeflaket før det entrer slusen. Strømninger fra båtpropell og båt vil også skape unaturlig bevegelse i vannet.

Når oljen skjermes av lensene mot slusen kan man få 3 ulike tapsfaktorer; lokale virvelstrømmer og hydrodynamiske sug, med-rivning av oljedåpene grunnet strøm og ¨kritisk akkumulering¨ av oljen ved høy viskositet (NOFI 2011).

For slusen og koblingspunktet til oppsamler vil undervannsstrømmer være mest kritisk.

3.2. Væskens egenskaper

Oljen vil legge seg på vannoverflaten da den har en mindre tetthet enn vannet. Olje og vann sammen er ikke-blandbare, men de kan danne V/O- eller O/V emulsjon. Hvilket avhenger av forholdene rundt og væskens egenskap. Hvorfor de ikke blandes avhenger både av den kjemiske sammensetningen og de fysikalske egenskapene. Forskjellen i molekylstrukturen til væskene forklarer kjemisk hvorfor de ikke blandes. Vann er en polar molekyl, mens olje er bygd opp av ikke polare molekyler. Polare molekyler blandes kun med polare molekyler, og ikke polare blandes kun med ikke-polare (Oak 2012). Vannet har veldig sterke kjemiske bindinger som gjør vannmolekylene veldig energirike. Saltvann er også energirik, men ikke i samme grad som fersk vann. Olje derimot er mer energifattig enn saltvann (Tyvand 2013).

Fysikalsk er spenningen mellom væskene grunnet til at de ikke blandes. Denne spenningen er en kraft på overflaten som minimaliserer overflaten, danner en barriere mot andre materialer og holder sammen sitt eget material. Den er generelt stabil og kommer av de ubalanserte kreftene på overflaten. Begge væskene har høy overflatespenning. Den endres med temperatur og molekylsammensetning. Synker temperaturen, stiger overflatespenningen.

Når olje og vann blandes og settes i bevegelse får vi en flerfasestrømning. Hvordan væskene oppfører seg mot hverandre i bevegelse avhenger av væskens tykkelse (viskositet). Hvordan tykkelsen forandrer seg med forholdene vil avhenge om de er newtonske eller ikke- newtonske.

Tetthet

Tetthet er masse per volumenhet, med temperatur og trykk som parametere. Ved normalt trykk er temperatur den kritiske parameteren. Dette er fordi ved normalt trykk kan de fleste væsker kategorisere seg som ikke-kompressibel. Ved svært høyt trykk derimot kan tetthetsendring være relevant. Radikale trykkvariasjonene har ingen effekt på vann, men på væsker som inneholder hydrokarboner, som olje (Fox et al. 2010). I Sepaduct vil trykket være til en hver tid rundt normalt trykk på 1atm, og vi går derfor ut ifra at all væske benyttet i oppsamlingen er ikke-kompressibel.

For vann vil ikke tettheten endre seg noe spesielt ved temperaturendring. Den vil stige litt av avtagende temperatur, og har maksimal tetthet ved 4 , og vil deretter avta igjen. Olje vil endre sin tetthet ved forskjellig temperatur i større grad. I dette tilfelle med hensyn på de

tetthetsendring ligge på en brøkdel (Powley 2006). Dette gjør at vi kan se bort fra tetthetsendringer. Men som vann har olje stigende tetthet ved avtagende temperatur, bare at olje har stigende tetthet nærmere stivnepunktet. Tetthet blir ofte oppgitt i enheten API. Det er en dimensjonsløst målenhet som måler tettheten til olje i forhold til vann med referansetemperatur på 15,56 :

Råolje kan kategoriseres i ulike nivåer:

 Lett råolje har API-vekt høyere enn 31,1 °API.

 Midlere råolje har API-vekt mellom 22,3 °API og 31,1 °API.

 Tung råolje har API-vekt under 22,3 °API.

Råolje med en tetthet på 0,86 (som er tetthetsmedianen i Nordsjøen fra Tabell 8) får vi:

Dette beviser at råoljen i Nordsjøen kan benevnes som lett råolje, men kan ved ulike steder med litt høyere tetthet (> 0,87) være en midlere råolje.

Viskositet

Det virker ulike kontaktkrefter på væsken, som trykk og friksjon som fører til spenninger.

Væsker deformeres når de utsettes for disse skjærspenningene. Viskositeten er en måling som viser forholdet mellom skjærspenningen og deformasjonsraten. Skjærspenningen vil avta jo nærmere sentrum man kommer.

( )

Visuelt kan viskositet si noe om hvor seig en væske er, og måler væskens resistans mot flyt.

Viskositeten, som sammen med interfasespenning holder væskene adskilt i en flerfasestrømning, vil forandre seg hovedsakelig med temperaturen. Hvordan væskene oppfører seg med forandringer i forholdene må de defineres som enten newtonske eller ikke- newtonske væsker. Forholdet mellom skjærspenningen og skjærraten (deformasjonsraten) er lineær i newtonske væsker, men ikke i ikke-newtonske. Skjærraten er farten til toppvæsken delt på tykkelsen på laget (Fox et al. 2010).